Пайки металлов и сплавов .Припой, флюсы

Федеральное агентство  рыболовству по ФГОУ СРО ВЛАДИВОСТОКСКИЙ МОРСКОЙ

РЫБОПРОМЫШЛЕННЫЙ  КОЛЛЕДЖ

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

Материаловедение

 

 

 

На тему: ,,Пайки металлов и сплавов .Припой, флюсы ,,

 

 

 

 

 

 

 

                                                           СТУДЕНТ: З-О

Выполнил                                                                                          13-ЭСЭ-16   Дубов В.В

 

 

 

Проверил                                                                                           Черкасов В.А                                                                         

  

 

 

 

 

 

 

 

 

Владивосток 2014

 

Оглавление

 

1. Пайка
2. Припои
1. Пайка мягкими припоями
2. Пайка твердыми припоями
3. Флюсы
1. Кислотные флюсы
2. Антикоррозийные флюсы
3. Флюс ВТС
4. Бескислотные флюсы
5. Активированные флюсы
4. Подготовка деталей к пайке, лужение
5. Способы пайки
1. Газовая пайка
2. Пайка погружением в металлические ванны
3. Пайка погружением в соляные ванны
4. Дуговая пайка
5. Индукционная пайка
6. Контактная пайка
7. Пайка в печах
8. Ступенчатая пайка
9. Пайка соединений металлов с неметаллическими материалами
10. Способ вжигания
6. Обработка деталей после пайки
7. Особенности конструирования узлов с паянными соединениями

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пайка

Пайка - процесс соединения металлов или неметаллических материалов посредством расплавленного присадочного металла, называемого припоем и  имеющего температуру плавления  ниже температуры плавления основного  металла (или неметаллического материала). Процесс пайки применяется либо для получения отдельных деталей, либо для сборки узлов или окончательной  сборки приборов. В процессе пайки  происходят взаимное растворение и  диффузия припоя и основного металла, чем и обеспечиваются прочность, герметичность, электропроводность и  теплопроводность паяного соединения. При пайке не происходит расплавления металла спаиваемых деталей, благодаря  чему резко снижается степень  коробления и окисления металла.

Для получения качественного  соединения температура нагрева  спаиваемых деталей в зоне шва  должна быть на 50-100° С выше температуры плавления припоя. Спаиваемые детали нагревают в печах, в пламени газовой горелки, токами высокой частоты, паяльниками. Прочное соединение припоя (сплавление припоя) с основным металлом можно образовать лишь в том случае, если поверхности спаиваемых деталей свободны от окислов и загрязнений. Для запиты поверхностей спаиваемых деталей от интенсивного окисления в результате нагрева место пайки покрывают флюсом, который образует жидкую и газообразную преграды между поверхностями спаиваемых деталей и окружающим воздухом.

Процесс пайки заключается  в следующем: при нагревании припой расплавляется и, соприкасаясь с  нагретым, но свободным от окисной  пленки основным металлом, смачивает  его, и растекается по его поверхности. Способность припоя заполнять швы  зависит от степени смачивания припоем  основного металла, его капиллярных  свойств и шероховатости поверхности  спаиваемых деталей.

↑ наверх

Припои для  пайки

К припоям предъявляются  следующие требования: высокая механическая прочность припоев в условиях нормальных, высоких и низких температур, хорошие электропроводность и теплопроводность, герметичность, стойкость против коррозии, жидкотекучесть при температуре пайки, хорошее смачивание основного металла, определенные для данного припоя температура плавления и величина температурного интервала кристаллизации. В зависимости от температуры плавления и прочности применяемых припоев различают пайку мягкими припоями (мягкую) и пайку твердыми припоями (твердую).

↑ наверх

Пайка мягкими  припоями

При пайке мягкими припоями используют припои с температурами  плавления ниже 400˚ С, обеспечивающие получение паяных швов с пределами прочности до 10 кГ/мм².

Применяют следующие мягкие припои: оловянно-свинцовые, малооловянистые, легкоплавкие и специальные.

Припои оловянно-свинцовые (ПОС), имеющие температуру плавления = 183 ÷ 265˚С, представляют собой сплавы олова и свинца с добавкой 1,5-2,5% сурьмы и обозначаются (ГОСТ 1499-54) ПОС-18, ПОС-30, ПОС-40, ПОС-50, ПОС-61, ПОС-90 (цифра показывает процент содержания олова).

Малооловянистые и безоловянистые мягкие припои: свинцовые (t_пл = 327° С), свинцово-серебряные (2,5% серебра, t_пл = 304° С) и др.

Легкоплавкие припои (t_пл = 60,5 ÷ 145° С) - сплавы олова, свинца, висмута и кадмия. Их применяют в случаях, когда требуется понижение температуры пайки из-за опасности перегрева деталей, а также для «ступенчатых» (вторых) паек. Механическая прочность припоев незначительна, причем висмутовые припои обладают большой хрупкостью.

Специальные припои используют для пайки материалов, не поддающихся  качественной пайке стандартными припоями, причем чаще всего их используют Для пайки алюминия. Для пайки алюминия и его сплавов применяют специальные припои на оловянной основе, которые содержат цинк, кадмий и иногда алюминий, а также чистое олово (содержание олова 99,92%), причем лучшими являются оловянно-цинковые, оловянно-кадмиевые и кадмиево-цинковые сплавы (t_пл = 197 ÷ 310° С), так как цинк и кадмий (особенно цинк) хорошо диффундируют в алюминии. Мягкие припои поставляются в виде чушек, прутков, проволоки, ленты, а также трубок из оловянно-свинцового сплава, заполненных канифолевым флюсом. Применение трубчатых припоев значительно упрощает процесс паяльных работ и способствует его механизации. При пайке мягкими припоями флюсы, как правило, необходимы.

↑ наверх

Пайка твердыми припоями

При пайке твердыми припоями применяют припои с температурами  плавления выше 400° С: медные (t_пл= 1083° С), медно-цинковые (t_пл, = 845 ÷ 900° С), меднофосфористые (t_пл = 700 ÷ 830° С), серебряные (t_пл = 635 ÷ 870° С) и др.

Твердые припои подразделяются на тугоплавкие с температурой плавления  выше 875° С и легкоплавкие с температурой плавления ниже 875° С.

Чистая электролитическая  медь (марки М1 и М2) применяется в основном при пайке сталей в печах с защитной средой.

Медноцинковые припои мало распространены вследствие низких механических свойств. В качестве медноцинковых припоев используются также латуни марок Л62 и Л68.

Меднофосфористые припои применяются как заменители серебряных припоев и мягких припоев. Их можно использовать только для пайки медных и латунных деталей, не работающих на изгиб, вибрацию и удар. Пайка меди меднофосфористыми припоями осуществляется без флюса; при пайке сплавов на основе меди флюс необходим.

Меднофосфористые припои нельзя применять для пайки черных металлов, так как они плохо смачивают эти металлы и в пограничных диффузионных слоях образуются хрупкие фосфиды железа.

Наиболее высокое качество получается при твердой пайке  с серебряными припоями, которые  можно применять для пайки  черных и цветных металлов при  условии, если температура плавления  припоя ниже температуры плавления паяемого металла. При твердой пайке алюминия и его сплавов применяют припои на основе алюминия (t_пл = 525 ÷ 580° С).

↑ наверх

Флюсы применяемые для пайки

1. Флюсы должны удовлетворять следующим основным требованиям:
2. Температура плавления флюса и его удельный вес должны быть ниже температуры плавления и удельного веса припоя.
3. Флюс должен полностью расплавляться и иметь хорошую жидкотекучесть при температуре пайки, но в то же время не должен быть слишком текучим, чтобы не «уходить» от места пайки.
4. Флюс должен своевременно и полностью растворять окислы основного металла, причем флюс должен действовать при температуре на несколько градусов ниже температуры плавления припоя.
5. Флюс не должен образовывать соединений с основным металлом и припоем, а также поглощаться ими.
6. Флюс должен равномерным слоем покрывать поверхность основного металла у места пайки, предохраняя его от окисления в продолжение всего процесса пайки. Однако для того, чтобы припой мог сплошным слоем покрывать поверхность основного металла, необходимо, чтобы адгезия флюса к основному металлу (т. е. силы сцепления между флюсом и основным металлом) была слабее, чем адгезия припоя (т. е. силы сцепления между припоем и основным металлом).
7. Флюс не должен испаряться и выгорать при температуре пайки, а продукты его разложения и окислы должны вытесняться припоем, легко удаляться после пайки и не вызывать коррозии.

Для пайки мягкими припоями применяют кислотные или активные, антикоррозийные, бескислотные, активизированные флюсы. Кислотные или активные флюсы - на основе хлористых соединений - интенсивно растворяют окисные пленки на поверхности основного металла и тем самым обеспечивают хорошую адгезию и, следовательно, высокую механическую прочность соединения.

Остаток флюса после пайки  вызывает интенсивную коррозию соединения и основного металла, а потому после пайки место пайки нужно  тщательно промывать. Для пайки  проводников при монтаже электрорадиоприборов применять кислотные флюсы категорически запрещается.

↑ наверх

Кислотные флюсы

К кислотным флюсам относятся  хлористый цинк (обычно в виде 30%-ного водного раствора с добавкой 0,6-0,7% свободной соляной кислоты;  составляет около 263˚ С), флюс-паста (хлористый цинк или хлористый аммоний с соответствующим наполнителем: ланолин, вазелин, глицерин и т. п.; t_пл = 263° С), флюс «Прима I» (раствор хлористого цинк-аммония в смеси воды и этилового спирта с добавкой глицерина, t_пл = 170˚ С).

↑ наверх

Антикоррозийные флюсы

Антикоррозийными флюсами  являются флюсы на основе фосфорной  кислоты с добавлением различных  органических соединений и растворителей, а также флюсы на основе органических кислот. Флюсы этой группы не вызывают коррозии черных металлов и поэтому  после пайки не нужно удалять  остатки флюса.

↑ наверх

Флюс ВТС

Флюс ВТС (смесь технического вазелина с салициловой кислотой, триэтаноламином и этиловым спиртом) применяется для пайки меди, латуни, бронзы, константана, серебра, платины и сплавов платиновой группы. Этот флюс особенно удобен для пайки электромонтажных соединений, так как он обеспечивает' чистоту и надежность пайки и не вызывает коррозии, даже если остается в местах пайки.

↑ наверх

Бескислотные флюсы

Пайка соединений при монтаже  электрорадиоприборов производится, как правило, бескислотными флюсами на основе канифоли.

Сосновая канифоль представляет собой в основном смесь смоляных кислот. При хранении на воздухе  канифоль поглощает кислород, причем поглощение тем больше, чем выше температура. Измельченная канифоль в  смеси с воздухом способна взрываться. Температура плавления (размягчения) канифоли колеблется в пределах от 52˚ до 83° С; при 125˚ С канифоль переходит в жидкое состояние. Основное достоинство канифоли состоит в том, что в расплавленном состоянии (при температуре 150° С) она способна растворять окислы, а после затвердевания на паяном соединении остаток флюса не вызывает коррозии. Остаток канифоли не гигроскопичен и является хорошим изолятором, что также относится к числу достоинств канифоли как флюса для пайки монтажных соединений. Являясь поверхностно-активным веществом, канифоль существенно улучшает растекание припоя.

Канифоль относится к  флюсам химически мало активным и может применяться при условии, если детали тщательно подготовлены к пайке, т. е. зачищены или залужены.

В качестве флюсов для пайки  монтажных соединений применяют  натуральную канифоль (ГОСТ 797-64), а  также растворы , канифоли в спирте (флюс КЭ и глицерино-канифолевый).

↑ наверх

Активированные  флюсы

Активированные флюсы  на основе канифоли применяют для  пайки металлов и сплавов, плохо  поддающихся пайке с канифолевым  флюсом; они также ускоряют процесс  пайки меди и медных сплавов.

В качестве активизаторов в канифоль вводят в небольших количествах солянокислый анилин, фосфорнокислый анилин, фе-нолевый ангидрид, солянокислый диэтиламин, салициловую кислоту и т. д.

Лучшим для пайки монтажных  соединений из флюсов этой группы является флюс с анилином.

Для пайки твердыми припоями применяются в основном кислотные  флюсы, остатки которых необходимо удалять после пайки. В зависимости  от температуры плавления они  подразделяются: на флюсы с температурой плавления выше 750° С, применяющиеся для пайки тугоплавкими припоями, и флюсы с температурой плавления ниже 750˚ С, применяющиеся для пайки сравнительно легкоплавкими серебряными припоями. В качестве тугоплавких флюсов наибольшее- распространение получили бура и борная кислота. Активной группой этих флюсов является борный ангидрид В₂О₃, который, вступая в реакцию с окислами металлов, образует бораты.

Буру применяют в виде безводной соли Na2В₄O₇ и в вид( кристаллической соли Na2В₄O₇ • 10Н₂О.

Кристаллическая десятиводная бура начинает плавиться при 75˚ С; по мере повышения температуры нагрева бура теряет воду, сильно при этом вспучиваясь и разбрызгиваясь, и постепенно переходит в безводную соль Na2В₄O₇ (плавленая или жженая бура); плавящуюся при температуре 783° С. Во избежание кипения бурь при пайке ее обычно применяют в прокаленном виде. Кристаллизационную воду удаляют путем нагрева буры до 400 - 450° С. Активное действие буры начинается с температуры 800° С, при более низких температурах бура плохо растекается. Бура в расплавленном состоянии может быть нагрета до высоких температур без заметного испарения, она весьма жидкотекучая и энергично растворяет окислы многих металлов, в особенности меди.

Борная кислота является менее активным флюсом, чем бура. Температура активного действия борной кислоты выше, чем буры, и  составляет 900° С. Одну борную кислоту редко применяют в качестве флюса. Смеси буры и борной кислоты являются основой большинства флюсов.

Для повышения активности смеси буры и борной кислоты при  пайке нержавеющих сталей и жаропрочных  сплавов в состав флюсов вводят фтористый  кальций и другие добавки.

В качестве легкоплавких флюсов для пайки серебряными и медно-фосфористыми припоями в основном применяют смеси  голоидных солей щелочных металлов с борнокислыми солями. Галоидные соли флюсуют окислы главным образом физическим растворением, борнокислые соли оказывают химическое действие.

Флюсы применяют в виде пасты, порошка и в жидком виде.

Иногда флюсующее действие производит сам припой с соответствующими добавками раскислителей (например, меднофосфористые припои).

↑ наверх

Подготовка деталей  к пайке, лужение

Перед пайкой поверхности  деталей очищают от пыли, жира, краски, ржавчины, окалины и окисной пленки. В процессе зачистки получают шероховатую  поверхность с целью увеличения смачивания основного металла.

Зачистку производят напильником, наждачной шкуркой, металлическими щетками (крацевание) и др.

Обезжиривание деталей перед  пайкой производят в бензине или  четыреххлористом углероде или подвергают травлению с последующей промывкой  в воде и просушиванием в сушильном  шкафу во избежание коррозии. Очищенные  детали следует хранить в условиях, исключающих попадание на них  жира и грязи и возникновение  коррозии.

В большинстве случаев  детали перед пайкой лудят, что облегчает  последующую пайку.

Схема процесса лужения показана на рис. 1. Место пайки покрывают  флюсом, затем при помощи паяльника  наносится расплавленный припой. Температура деталей в зоне пайки  поддерживается паяльником и должна быть на 50-100° С выше температуры плавления припоя. Если одна из поверхностей будет нагрета выше температуры плавления припоя, а вторая ниже, происходит нарушение процесса пайки, нагретую поверхность припой смачивает, а на второй он застывает и не затекает в зазоры.

Рис. 1 Схема лужения паяльником 
1 - паяльник, 2 - припой, 3 - газообразный флюс, 4 - растворенный окисел, 5 - поверхностный слой окисла, 6 - флюс, 7 - зона сплавления припоя с основным металлом, 8 - основной металл

Рис. 2 Схема лужения вибрационным паяльником

Лужение производят также  в ванночке с расплавленным припоем, при этом детали сначала погружают  в сосуд с флюсом, а затем  в расплавленный припой.

При пайке алюминия с помощью  ультразвука лужение поверхностей производится или паяльниками, вибрирующими с ультразвуковой частотой, или в  специальных ультразвуковых ванночках  с расплавленным припоем.

Схема процесса лужения вибрационным паяльником показана на рис. 2. Для возбуждения  продольных колебаний рабочего стержня  У паяльника применяют магнитострикционные  вибраторы , представляющие собой магнитопровод 9 с обмоткой возбуждения 10, питаемой переменным током от лампового генератора 11 при частоте от 20 до 25 кгц и создающей переменное электромагнитное поле.

Магнитопровод 9, соединенный с рабочим стержнем ультразвукового паяльника У, создает интенсивные колебания, способные вызвать кавитацию (нарушение сплошности) расплавленного припоя в зоне пайки. Нагрев рабочего стержня 1 паяльника осуществляется нагревательной обмоткой 5, питаемой переменным током от понижающего трансформатора 12. Применяются ультразвуковые паяльники и без нагревательного элемента. В этом случае нагрев детали, подлежащей лужению, до 260-300˚ С осуществляется от постороннего источника тепла - газовой горелки или электроплитки.

Лужение основного металла  при помощи ультразвукового паяльника  происходит в непосредственной близости от колеблющегося конца рабочего стержня 1 паяльника, который излучает знакопеременные волновые давления, вызывающие растяжение и сжатие частиц жидкого припоя 2. В местах наибольшей интенсивности облучения растяжения влекут за собой кавитацию жидкого  припоя и между его частицами  появляются разрывы, которые мгновенно  заполняются воздухом или газом, имеющимися в припое, образуя мельчайшие (размером в несколько микрометров) пузырьки 3. За растяжением наступает  сжатие частиц расплавленного припоя, и пузырьки немедленно после образования  сжимаются, а затем захлопываются. Сжатие пузырьков вызывает повышение  в них давления до сотен атмосфер, а их захлопывание сопровождается весьма большими ударными импульсами на окружающий их жидкий припой, а также на поверхность  алюминиевых деталей, вызывая разрушение окисной пленки 4. Раздробленные  частицы окисной пленки, обладающие меньшим удельным весом, всплывают  на поверхность припоя, который беспрепятственно облуживает очищенную поверхность основного металла.

Таким образом, под действием  кавитации происходит эрозия (разрушение) окисной пленки 4 под слоем расплавленного припоя 2, сплавление припоя с обнаженным основным металлом 5 и образование  слоя 6 сплава припоя с основным металлом (полуды). На поверхности затвердевшего  слоя припоя остается слой 7 шлака, который  представляет собой частицы диспергированной (тонко измельченной) окиси алюминия. Постепенно перемещая паяльник, покрывают припоем всю поверхность соединения.

Рабочий стержень 1 паяльника, подвергающийся во время пайки воздействию  эрозии, изготовляется из серебряно-никелевого сплава, обладающего высокой кавитационной стойкостью.

Форму или размеры конца  рабочего стержня паяльника для  выполнения конкретной операции изменяют путем замены рабочей части стержня  специальным приспособлением, которое  должно иметь строго определенные размеры  для соблюдения резонансных характеристик  системы.

Ультразвуковой метод  лужения обеспечивает высокую производительность, повышает механическую прочность и  коррози-ционную стойкость соединений.

↑ наверх

Способы пайки

Пайку мягкими припоями можно  применять, почти для всех металлов, в разнообразных сочетаниях, включая  такие легкоплавкие металлы, как  олово, свинец, цинк и их сплавы.

Нагрев при пайке мягкими  припоями производят паяльниками, газовыми горелками, электрическим током, плавлением припоя в ваннах и т, д, В большинстве случаев для пайки мягкими припоями применяют паяльники из красной меди.

Размеры паяльника должны соответствовать размерам детали, чтобы  паяльник, не охлаждаясь значительно, мог нагреть кромки детали до необходимой  температуры.

При монтаже электрорадиоприборов, как правило, применяют электрические паяльники непрерывного действия.

Высокопроизводительным  способом пайки мягкими припоями является последовательное погружение деталей в раствор флюса, а  затем в ванну с большим  количеством расплавленного припоя, который применяется в данном случае не только как заполнитель  зазоров, но и как источник тепла, быстро и одновременно нагревающий  все соединяемые детали. Таким  способом за одно погружение деталей  в течение 1-2 мин можно спаять между собой сотни, а иногда и  тысячи деталей. Прочность мягких припоев  незначительна, поэтому рабочие  соединения, подвергающейся большой  нагрузке, рекомендуется до пайки  прочно скреплять точечной сваркой, заклепками, развальцовкой, шпильками  и т. д., используя припой как средство уплотнения шва для герметичности.

В зависимости от характера  нагрева изделия при пайке  твердыми припоями различают газовую  пайку, пайку погружением в металлические  ванны, пайку с погружением в  соляные ванны, дуговую пайку, индукционную пайку и контактную пайку.

↑ наверх

Газовая пайка

При газовой пайке нагрев осуществляется пламенем газовой горелки. В качестве горючего газа используют смеси различных газообразных или  жидких углеводородов (ацетилен, метан, пары керосина и т. д.) и водород, которые  при сгорании в смеси с кислородом дают высокотемпературное пламя. При  пайке крупных деталей горючие  газы и жидкости применяют в в смеси с кислородом, при пайке мелких деталей в смеси с воздухом.

Пайку можно выполнять  как горелками специального типа, дающими широкий факел, так и  нормальными, сварочными.

При газовой пайке применяют  как газообразные флюсы на основе метилбората, так и твердые флюсы - различные соли и их смеси, которые обычно используют в виде водных растворов.

↑ наверх

Пайка погружением  в металлические ванны

Расплавленный припой в ванне  покрывают слоем флюса. Подготовленная к пайке деталь погружается в  расплавленный припой (металлическую  ванну), который также является источником тепла. Для металлических ванн обычно используют медно-цинковые и серебряные припои.

↑ наверх

Пайка погружением  в соляные ванны

Состав ванны выбирают в зависимости от температуры  пайки, которая должна соответствовать  рекомендуемой температуре ванны  при работе на смеси определенного  состава. Ванна состоит их хлористых  солей натрия, калия, бария и др.

Этот метод не требует  применения флюсов и защитной атмосферы, так как состав ванны подбирают  таким, что он вполне обеспечивает растворение  окислов, очищает паяемые поверхности  и защищает их от окисления при  нагреве, т. е. является флюсом.

Детали подготавливают к  пайке, на шов в нужных местах укладывают припой, после чего опускают в ванну  с расплавленными солями, являющимися  флюсом и источником тепла, где припой расплавляется и заполняет шов.

Для обеспечения хорошего заполнения припоем швов между соединяемыми деталями в соляные ванны добавляют 4-5% буры, а также производят раскисление ванны ферросилицием или ферромарганцем, которые вводят в ванну в количестве 1 % от веса соли. Для соляных ванн используют медные, медноцинковые, серебряные и другие припои, а для деталей из алюминия - припои из силумина.

↑ наверх

Дуговая пайка

При дуговой пайке нагрев осуществляется дугой прямого действия, горящей между деталями и электродом или дугой косвенного действия, горящей  между двумя угольными электродами.

При использовании дуги прямого  действия обычно применяют угольный электрод (угольная дуга), реже - металлический  электрод (металлическая дуга), которым  служит сам стержень припоя. Угольную дугу направляют на конец стержня  припоя, касающегося основного металла  так, чтобы не расплавлять кромок детали. Металлическую дугу применяют  при токах, достаточных для расплавления припоя и очень незначительно  оплавляющих кромки основного металла. Для пайки дугой прямого действия пригодны тугоплавкие припои, не содержащие цинка. При помощи угольной дуги косвенного действия можно выполнять процесс  пайки твердыми припоями всех типов. Для нагрева этим способом применяют  специальную угольную горелку. Ток  к электродам подается от машины для  дуговой сварки. Дуговые горелки  менее удобны для пайки, чем газовые, поэтому их применяют обычно при  небольшом объеме работ по пайке.